基礎(chǔ)物理實驗教程

前言

物理學是研究物質(zhì)運動變化的最一般規(guī)律和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的自然科學學科，它是以實驗為本的科學?？v觀物理學的發(fā)展史，理論物理學家的杰出貢獻固然起了非常重要的作用，但是幾乎所有新物理理論的提出依據(jù)或初創(chuàng)基礎(chǔ)是物理現(xiàn)象的觀測或?qū)嶒炑芯康某晒鄶?shù)物理假說或理論模型都是在實驗證明之后才得以發(fā)展成完整嚴密的理論體系的，不少理論是通過其預言或推論的重要實驗來充分展示其價值與重要性的。許多新應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的開拓都源于實驗物理學的重大進展。因此可以說實驗物理學是物理學的最重要的分支。大學物理實驗是理工科教育的一門重要基礎(chǔ)課程，要使學生學到物理實驗最基本的知識和技能，增強理論聯(lián)系實際的能力，掌握實驗分析和數(shù)據(jù)處理的基本方法，受到科學精神與科學思維方法的熏陶，為從事自然科學和工程技術(shù)的實驗研究打下初步的基礎(chǔ)。百年諾貝爾物理學獎的獲得者中，大多數(shù)是以其實驗物理學的突出成就而獲殊榮的。丁肇中教授在頒獎宴會上的中文演說中，針對中國古代輕視實踐的儒家傳統(tǒng)思想強調(diào)說“自然科學理論不能離開實驗的基礎(chǔ)，特別是物理學是從實驗產(chǎn)生的?！蚁Ｍ捎谖疫@次得獎，能夠喚起發(fā)展中國家的學生們的興趣，從而注意實驗工作的重要性?！苯陙砦覈母咝＝虒W中，大學物理特別是大學物理實驗的教學條件得到了普遍改善，物理實驗課程建設(shè)與教學實驗室建設(shè)也得到越來越普遍的重視。工作在物理教學第一線的教師們在完善實驗課程、更新教學內(nèi)容、改革教學模式、提高教學效益等方面付出了辛勤勞動，進行了許多實踐，取得了豐富經(jīng)驗。清華大學物理系歷來十分重視實驗研究與實驗教學。首任系主任葉企蓀教授就是一位杰出的實驗物理學家。葉先生等在1921年發(fā)表的用x射線衍射實驗測得的普朗克常量曾被國際上沿用達16年之久。他親自為物理實驗寫教材、作序言，針對我國當時普遍存在的物理教學中實驗訓練少之缺憾，強調(diào)物理實驗對物理系學生培養(yǎng)的重要性。對于當年象李政道這樣的理論天賦很好的學生，葉先生同意他可以免修一些理論課，但不能免修實驗課，足見其對物理實驗教學之重視。在葉先生等老一輩物理學家的倡導下，抗戰(zhàn)勝利后清華物理系的教學實驗已經(jīng)具有了相當?shù)囊?guī)模。

內(nèi)容概要

　　《普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材：基礎(chǔ)物理實驗教程（物理測量的數(shù)據(jù)處理與實驗設(shè)計）》是普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材．作者力圖建立以多選擇性、多層次性研究型組合（系列）實驗為主的教材框架，以適用于中型研究型組合實驗為主的教學模式．該教材的實驗內(nèi)容的選擇力求充分利用現(xiàn)有教學資源，對現(xiàn)有資源進行改造和重組；增強每個組合實驗的研究型層次和設(shè)計型層次，使得不同層次的學生都能有很好的收獲。《普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材：基礎(chǔ)物理實驗教程（物理測量的數(shù)據(jù)處理與實驗設(shè)計）》也突出考慮了開放式教學的需要，力圖體現(xiàn)開放式教學的特點。　　《基礎(chǔ)物理實驗教程物理測量的數(shù)據(jù)處理與實驗設(shè)計》內(nèi)容為測量實驗的數(shù)據(jù)處理與設(shè)計，主要包括物理量測量的單位與標準、測量誤差與不確定度估計的基礎(chǔ)知識、實驗數(shù)據(jù)的有效位數(shù)與修約、實驗數(shù)據(jù)圖示法、直線擬合方法、誤差理論的“物理思想要點”、粗差和異常值的判定方法、多元回歸分析提綱、系統(tǒng)誤差分析提綱、試驗設(shè)計和正交設(shè)計的基本概念與思路、物理測量實驗設(shè)計概要和不確定度表示體系的進展與兩類方法共12章．全書內(nèi)容豐富、表述簡潔、思路清晰準確、方法簡明實用?！　　痘A(chǔ)物理實驗教程》主要用作物理專業(yè)的基礎(chǔ)物理實驗課程的教材，也可作為非物理專業(yè)的普通物理實驗的教學參考書，亦可供計量學各相關(guān)專業(yè)的學生與工作人員參考。

書籍目錄

第1章 物理量測量的單位與標準1.1 量和物理量1.2 單位與國際單位制1.3 測量結(jié)果的表示及測量的四要素1.4 量和單位1993年國家標準與1986年標準相比的主要變動表第2章 測量誤差與不確定度估計的基礎(chǔ)知識2.1 誤差的定義、分類及簡要處理方法2.2 直接測量結(jié)果的不確定度估計2.3 間接測量結(jié)果的不確定度合成2.4 計量器具測量誤差的初步介紹2.5 誤差理論的部分數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)2.6 附錄第3章 實驗數(shù)據(jù)的有效位數(shù)與修約3.1 有效位數(shù)的概念3.2 修約間隔和修約規(guī)則3.3 實驗數(shù)據(jù)的有效位數(shù)確定3.4 數(shù)值修約意義的補充說明3.5 不確定度決定修約間隔的證明與應(yīng)用3.6 回歸系數(shù)的有效位數(shù)第4章 實驗數(shù)據(jù)圖示法4.1 圖示法概述4.2 作圖坐標分度值的選取4.3 兩變量關(guān)系圖的手工作圖步驟第5章 直線擬合方5.1 最小二乘法直線擬合5.2 直線擬合的結(jié)果表示和參量的置信區(qū)間5.3 直線擬合的質(zhì)量判斷5.4 過原點的直線擬合5.5 加權(quán)平均5.6 加權(quán)直線擬合5.7 直線擬合的其它方法5.8 變量z有誤差的情形第6章 誤差理論的“物理思想”要點6.1 誤差理論和不確定度表示體系的學習難點6.2 誤差理論的“物理思想”要點6.3 我們在實驗教學中的基本要求簡介6.4 誤差理論教學中要注意的幾個主從關(guān)系第7章 粗差與異常值的判定方法7.1 粗差成因和淺析7.2 從技術(shù)上、物理上的考慮判定粗差7.3 粗差的統(tǒng)計學判定方法7.4 作圖判斷法7.5 由儀器誤差限、標準差或不確定度估值來判斷7.6 回歸(擬合)中的粗差判斷舉例7.7 誤差的客觀性與數(shù)據(jù)的分散性第8章 多元回歸分析提綱8.1 回歸分析簡介8.2 多元線性回歸8.3 EXCEL中的回歸方法8.4 回歸問題求解與質(zhì)量判斷的方法舉例第9章 系統(tǒng)誤差分析提綱9.1 系統(tǒng)誤差分析的重要性9.2 系統(tǒng)誤差的主要特征與分類9.3 系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)方法9.4 系統(tǒng)誤差的減消方法9.5 基礎(chǔ)物理實驗中分析、發(fā)現(xiàn)和減消系差的實例第10章 試驗設(shè)計和正交設(shè)計的基本概念與思路10.1 試驗設(shè)計簡介10.2 正交試驗設(shè)計概述10.3 正交表及其應(yīng)用10.4 多元回歸的正交設(shè)計10.5 試驗設(shè)計的典型問題舉例——稱重設(shè)計第11章 物理測量實驗設(shè)計概要11.1 明確測量實驗的目標和測量對象11.2 研究、比較和選擇測量原理與測量方法11.3 測量設(shè)備的選擇考慮11.4 實驗設(shè)計中的參量選擇11.5 數(shù)據(jù)處理方案的選擇與比較第12章 不確定度表示體系的進展與兩類方法12.1 不確定度表示體系的建立過程12.2 兩類不確定度的表示和綜合方法12.3 對指南的問題簡析附錄常用因子、臨界值與參數(shù)的計算公式參考文獻關(guān)鍵詞索引后記

章節(jié)摘錄

插圖：

后記

本書單獨出版，主要考慮內(nèi)容相對獨立，通用性稍強，也可供其它實驗課程教學與測量工作者參考。不追求嚴格的系統(tǒng)性與完整性，嘗試建立物理實驗數(shù)據(jù)分析教材的新架構(gòu)，是本書寫作的出發(fā)點之一。由于低年級學生未學過概率論與數(shù)理統(tǒng)計，還由于學時的限制，在以實踐為主的基礎(chǔ)物理實驗課程中，須部分放棄數(shù)據(jù)處理理論體系的完整性、嚴密性要求，不作嚴格的系統(tǒng)性、漸進性論述，使教材內(nèi)容有一定的非完整性和跳躍。書中有五章是以“概要、提綱、思路、要點”的形式寫出的，一方面因為這些章的研究對象本身大多是一門內(nèi)容豐富的學問，只能舉綱擇要而論；另一方面是為在有限的篇幅中包容更多的對物理實驗有用的內(nèi)容與經(jīng)驗性方法。我們要求學生必須掌握如表6。3所示的一些最基本的概念與方法，基本搞清楚誤差理論的要點與結(jié)構(gòu)思路（如6。2節(jié)與圖6。1所示），學習直線擬合、多元回歸、系差分析、粗差判斷方面的主要概念并初步學會運用（或套用）其中的一些計算處理方法。本書闡述了實驗（試驗）設(shè)計的基礎(chǔ)知識，篇幅約占全書的1／4，希望學生不僅學會被動地處理數(shù)據(jù)，而且開始學習主動運用知識對實驗作初步的指導與設(shè)計，為從教學實驗向科學研究實驗過渡打下初步基礎(chǔ)。考慮教程的實用性是寫作的出發(fā)點之二。書中對大多數(shù)理論和方法都未作嚴格的證明，將一些主要的證明或推導思路放在了2。5節(jié)和第6章 ，對多數(shù)方法、論點標注出了備查的參考文獻。書中用142個實例作為理論方法的說明或應(yīng)用舉例，以便于同學理解教材、掌握要點。在第7章 與第9章 中比較、綜述了多種判據(jù)及分析方法，以使內(nèi)容較完整，便于在實際中選用合適的方法。力圖歸納、小結(jié)教學研究與計量學課題研究的一些體會是出發(fā)點之三。在部分章節(jié)中寫進了一些新的方法和論點；對少數(shù)常用法則（如不確定度修約間隔確定）作了某些證明、補充或修正；對教學中個別有影響的不當論點作了剖析；創(chuàng)建了用以替代常用統(tǒng)計學數(shù)表的一系列近似公式。在計算機已普及后，這些近似公式既便于實際計算，又減小了教材篇幅。書中約有l(wèi)／5的楷體字的內(nèi)容基本不用于對學生的物理實驗課程教學，而是為幫助實驗物理教師備課、供計量相關(guān)專業(yè)的學生或測量工作者參考而寫的。

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《基礎(chǔ)物理實驗教程(物理測量的數(shù)據(jù)處理與實驗設(shè)計)》由高等教育出版社出版。

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